电与磁的探究　　

             ——线圈炮制作实验　　

重庆育才中学: 唐佳路  指导教师: 樊永亮　　

摘要：我在看了科幻大片后，里面的高科技深深吸引了我，尽管它们看起来十分神奇遥不可及的样子，但我还是想结合我们学过的物理知识,来个科幻与现实的接轨。通过探究和实验，我制作了属于自己的线圈炮，并将之逐渐改进完善，解决问题的探究过程让我明白了学无止境。　　

关键词：螺线管；线圈炮；物理；实验；制作；科技　　

在寒假期间再看电影《变形金刚2》，我被这样一个情节深深震撼：在最后的大战里，美军动用了一种神秘武器，从战舰上发射超高速炮弹，对金字塔顶端的“大力神”予以毁灭性打击。这种超远程、高精度、破坏力十足的武器是什么呢？经过多方查询，我发现那就是现实中的动能武器—电磁炮。　　

电磁炮深深吸引了我，这个东西是什么？电影里面那个很厉害的武器电磁炮跟电与磁的知识有什么关系呢？于是我在网上查了很多与电磁炮相关的资料，发现电磁炮的制造原理是应用了电与磁的知识。在人教版物理九年级第二十章“电与磁”中，奥斯特实验证实：在电流周围存在磁场。正因如此，电磁铁才具有像永磁体那样的磁场。　　

通过查询我还发现电磁炮的种类并不是单一的，它分为：线圈炮，轨道炮，电热炮，重接炮。电磁炮的其中一种线圈炮在外形上看起来与电磁铁十分相似，他们有着共同之处，那就是通电螺线管。如图：　　

自然而然我有了一个猜想：线圈炮是不是利用像电磁铁那样的磁场而把金属炮弹吸出炮管呢？猜想不如行动，我们这学期不是刚刚学习了电与磁的知识吗？我何不自己动手制作一个线圈炮来探究一下呢？为了探究这个问题，整个假期期间经过反复多次的实验，我终于制作成功了属于自己的线圈炮。如图一所示。　　

小制作实验所需器材：漆包线 、 小塑料管 、大头针、导线 、五号电池、单执开关、电键开关、电容。                                                   　　

首先我要制作一个螺线管。这时我遇到了第一个问题：线圈应该缠多少圈呢？据电与磁的知识，对于电磁铁来说，在其他条件一定时，匝数越多，电磁铁的磁场越强。那么同样对于利用电流产生磁场而推动炮弹打出的线圈炮也应是一样的。所以为了线圈炮产生更强磁场，以便推动炮弹打出的效果更好，我在小塑料管上面用漆包线缠了5层，大约有550匝。如图二所示。　　

螺线管做好了，我将大头针当作实验炮弹放入螺线管后部，视螺线管为炮管。我想利用螺线管通电后产生的磁场吸引大头针从螺线管后部向螺线管前部吸引，从而打出炮管。闭合开关后，我发现大头针并没有像预先想象的那样被推出炮管，而是被吸在螺线管中间位置。这个情况让我联想到了物理教材所学的内容:电动机转子的平衡状态。转子的平衡状态就是使转子转动的力上下平衡，造成了转子转半圈后就停下了的情况。对于这个问题，电动机的解决方法是加入换向器。使转子通电转半圈后断电，靠其惯性转过后半圈。想到这点，我灵光一闪，明白了我刚才实验中大头针停在炮管中间的原因了，那是因为大头针在被吸引到线圈中，当炮弹位置超过螺线管中间位置后，由于线圈仍然通电，炮弹同时又接收到一个向回拉的力，于是，大头针受到的向前的吸引力和向后的拉力相互平衡了，停在了螺线管的中间。　　

为了解决这个问题，我发现螺线管不能一直通电，而是要短时间通电。于是我把普通开关换成了电键开关，需要发射时，我只需点一下电键就好了。实验证明这个方法可行。简易版线圈炮就这样诞生了。　　

经过多次试验发射大头钉，问题随之而来，我发现了另一个不足之处：靠手动控制通电时间长短操作起来既不方便，发射炮弹的方向和射程也不稳定。这种手动控制通电时间长短的线圈炮有时射的很远，它有时只能勉强将大头钉推出炮管，甚至根本打不出去；它有时向前发射，有时又向后发射。这些缺陷应该怎样解决呢？　　

于是我到处求教那些搞物理教学及研究的叔叔阿姨，当然还有正在教我们物理课的樊老师，同时上网多方查找资料。我最终确定了改进措施：给简易线圈炮安装一种叫做电容的装置。经查证：电容是一种容纳电荷的原件，它就是可以达到控制线圈通电时间长短目的的装置。通过电容的短时间放电来控制螺线管的通电时间。这样螺线管产生的磁场在吸引大头针到螺线管中部位置后，由于电容放点完毕，没有电流通过螺线管，磁场就随之消失了。大头钉靠自身惯性冲出炮管，不再受螺线管后来所作用的反向拉力了。　　

根据我的想法，线圈炮的改进实验就这样开始了。我首先买了一些各种规格的电容。使得原来的装置分为发射部分与充电部分。如图所示。　　

第一个问题应该是选用什么规格的电容才合适呢？经过多方请教及查询，里面涉及高中物理、高等数学等高级知识，因此，我的探究实验只得充分发扬愚公移山的精神，只能通过一个办法：将买到的各种规格的电容——作试验。一开始，我用一个最小容量的电容，充好电后发射，发现大头钉毫无反应，我想到可能是因为电容容量太小的缘故。然后我依次替换容量逐渐增大的其他容量的电容，螺旋管里面的大头针随着电容容量的增加逐渐有了一点反应。但始终推力不足。这是因为发射电压不足还是因为其他原因呢？我又仔细回顾前面的实验，不断反思推敲：前面的实验在不加入电容时，线圈炮尽管很难精确控制方向和射程，但还是能够将大头针炮弹打出炮管去的，所以，线圈炮发射的电压应该是足够的。那么，这样的实验现象只能说明线圈通电的时间太短了，大头针还未能够达到足够的速度发射出去。就连购得的最大容量的电容放电时间都太短，这可如何是好啊？是不是可以将几个电容同时并联起来呢？就像将电池串联联起来可以达到增大电压的效果，并联起来可以达到增大容量的效果那样。那么电容并联起来是不是可以达到增大容量的效果呢？　　

说干就干，我将电容并联起来安装在原来的位置，又再做发射试验。将电容并联后，这次炮弹被发射到了炮口位置，尽管炮弹最终还是没有打出去，但我的设想还是得到了验证：将电容并联确实可以增大容量从而使线圈通电时间更长一些。然后我在原来电容的基础上逐渐增加并联上一个同样容量的电容，再反复试验，再并联了更多的电容，随着我做并联电容试验的次数越多，我发现了如下表所示的规律：　　

经过反复多次试验并分析所记录数据，我发现电容容量与线圈炮发射的炮弹射程之间的函数图象与我们学过的二次函数相似，呈现中间高两边低的态势。最终，我还是并联了5个470uf的电容（如图三），这种情况下发射的距离相对较远。就是经过这样不断的动手试验，我将线圈炮不断改进完善，不但炮弹发射方向时正时反的问题得到了解决，而且炮弹的发射控制过程也更加稳定了。最终装置如图四。　　

总之，通过自己的不断探究和反复动手制作、改进、观察、实验，我不仅感受了辛勤动手劳动所带来的愉悦，领略了探索物理现象和做物理实验的乐趣，在解决一个又一个问题的过程中，我明白了学无止境。当我们面对广袤无边的知识海洋，要做勇敢的探险者去做无畏的付出。只有这样，我坚信，总有一天，美国科幻电影《变形金刚2》里面所展现的那些令人叹为观止的高科技在我们中国会变为现实。　　

参考文献：　　

1、人教版《物理》九年级第20章电与磁　　

2、李彦辰. 电与磁.[CP/OL] http://baike.baidu.com/link?url=tcTgpGDe00-KsA7tq4Chx-KMN8EivHrksNqSj6mDfKytE0MXyOBTu3Hr9lo_0Srk9ERpjAdEwS8wA4hT4ItbUq.　2015-09-26　/　　2016-02-1　5　　　

3、赵科义.高电压技术.[DB/OL].http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/gdyjs2008080 25. 　2008-10-22　/　2016-02-15　　　

4、向红军.电机与控制学报.[DB/OL]. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/djykzxb201201002 .　2012-04-27　/　2016/02/15　　　

5、马晓. 神奇的电与磁.[M].甘肃科学技术出版社.　2013-04-01　　　

6、段伟文. 少年科学DIY—电与磁的魔法.[M] 科学普及出版社.　2015-01-01　　　

    教师评语：论文结构完整，写作规范，作者查阅了大量资料，制作过程图文并茂，体现了一名初中生综合能力。但创新方面还有欠缺。